Среда, 21 февраля, 2024
ДомойКосмосРаскрытие космических тайн: ученые разрабатывают новый инновационный метод исследования темной материи

Раскрытие космических тайн: ученые разрабатывают новый инновационный метод исследования темной материи

- Advertisement -

Физики разработали новый метод исследования темной материи с помощью детекторов гравитационных волн, потенциально раскрывающий влияние частиц темной материи на нейтронные звезды. Этот подход предлагает новое понимание темной материи, выходя за рамки нынешних детекторов и прокладывая путь для будущих открытий с помощью передовых обсерваторий гравитационных волн. Фото: SciTechDaily.com

Темная материя имеет фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной, однако ее точная природа остается загадкой. Раскрытие природы темной материи является важнейшей задачей космологии и физики элементарных частиц.

Совместные усилия физиков из Института фундаментальных исследований Тата, Индийского института науки и Калифорнийского университета в Беркли представили новый метод исследования темной материи. Этот метод использует поиск гравитационных волн для обнаружения потенциального воздействия темной материи на нейтронные звезды.

Объяснение новой методологии

Сулагна Бхаттачарья, аспирант TIFR и ведущий автор исследования, опубликованного в Письма о физических отзывах, объясняет — частицы темной материи в галактике могут накапливаться в нейтронных звездах из-за их негравитационных взаимодействий. Накопленные частицы образуют плотное ядро, которое сжимается до мельчайших размеров. черная дыра в сценарии, в котором частица темной материи тяжелая и не имеет аналога-античастицы; сценарий, который оказалось трудно проверить иначе в лабораторных экспериментах.

Для большого разрешенного диапазона масс частиц темной материи исходная зародышевая черная дыра поглощает своего хозяина. нейтронная звезда и превращает ее в черную дыру массы нейтронной звезды. Важно отметить, что теории звездной эволюции предсказывают, что черные дыры образуются, когда нейтронные звезды превышают массу Солнца примерно в 2,5 раза, как это закодировано в пределе Толмана-Оппенгеймера-Волкова, но здесь темная материя приводит к образованию черных дыр малой массы, которые обычно меньше. чем максимальная нейтронная звезда.

Детекторы гравитационных волн как исследования графики темной материи. Фото: Басудеб Дасгупта.

Анупам Рэй, один из руководителей работы, отмечает, что «при параметрах темной материи, которые еще не исключены ни одним другим экспериментом, старые двойные системы нейтронных звезд в плотных областях галактики должны были эволюционировать в двойные системы черных дыр. Если мы не увидим каких-либо аномально маломассивных слияний, это наложит новые ограничения на темную материю».

Связь темной материи и черных дыр

Любопытно, что некоторые события, обнаруженные ЛИГО, например, GW190814 и GW190425, по-видимому, включают по крайней мере один компактный объект малой массы. Заманчивое предположение, основанное на новаторских работах Хокинга и Зельдовича 1960-х годов, заключается в том, что черные дыры малой массы могут иметь первобытное происхождение, то есть быть созданы чрезвычайно редкими, но большими флуктуациями плотности в очень ранней Вселенной.

Руководствуясь этими соображениями, коллаборация LIGO предприняла целевые поиски черных дыр малой массы и установила ограничения. Настоящее исследование Бхаттачарья и его коллег показывает, что то же самое необнаружение слияний малой массы с помощью LIGO также накладывает строгие ограничения на темную материю частиц.

Ограничения, представленные в этом исследовании, имеют важное значение, поскольку они исследуют пространство параметров, которое находится далеко за пределами досягаемости современных наземных детекторов темной материи, таких как XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, особенно для тяжелых частиц темной материи.

Будущее наблюдений гравитационных волн

Ожидается, что слияния черных дыр малой массы можно будет обнаружить не только с помощью существующих детекторов гравитационных волн, таких как LIGO, VIRGO и KAGRA, но также с помощью будущих детекторов, таких как Advanced LIGO, Cosmic Explorer и телескоп Эйнштейна. Принимая во внимание запланированные обновления текущих экспериментов с гравитационными волнами и учитывая их повышенную чувствительность и время наблюдения, исследование прогнозирует ограничения, которые могут быть получены в течение следующего десятилетия.

В частности, исследование показывает, что наблюдения гравитационных волн могут исследовать чрезвычайно слабые взаимодействия тяжелой темной материи, расположенные значительно ниже так называемого «дна нейтрино», где обычным детекторам темной материи приходится бороться с астрофизическим фоном нейтрино.

Вместо этого, если в будущем будут обнаружены экзотические черные дыры малой массы, это может стать ценным намеком на природу темной материи. Авторы оптимистично отмечают: «Детекторы гравитационных волн, которые уже доказали свою полезность для прямого обнаружения черных дыр и гравитационные волны предсказанное Эйнштейном, может стать мощным инструментом для проверки теорий темной материи».

Ссылка: «Может ли LIGO обнаружить неуничтожающую темную материю?» Сулагна Бхаттачарья, Басудеб Дасгупта, Ранджан Лаха и Анупам Рай, 29 августа 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.091401.

Исследование финансировалось Департаментом атомной энергии (правительство Индии), Департаментом науки и технологий (правительство Индии) через стипендию Сварнаджаянти, Обществом Макса Планка через партнерскую группу Макса Планка, Индийским институтом науки. , Бангалор, Департамент науки и технологий (правительство Индии), Национальный научный фонд, Фонд Хейсинга-Саймонса и Фонд Infosys (Бангалор).

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме